DE1929717A1

DE1929717A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Vorrichtungen sowie elektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE1929717A1
Application number: DE19691929717
Authority: DE
Inventors: Stapleton Geoffrey Brian; Robert Sheldon
Original assignee: Science Research Council
Current assignee: Science Research Council
Priority date: 1968-06-12
Filing date: 1969-06-11
Publication date: 1969-12-18
Also published as: FR2011928A1; CH512132A; DE1929717B2; NL6908992A; DE1929717C3; FR2011928B1; US3656231A

Description

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT ^Te"^fon:(02 ⁿ⁾ ^324W

Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten: Köln 1M931, Essen 20362 . Bankkonten: '

Deutsche Bank AG., Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

Postfach 325

69 096 Zw/Schm 10. Juni 1969

Science Research Council State House, High Holborn, London, W.C.1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus den britischen Patentanmeldungen Nr. 28048/68 vom 12. Juni 1968 und Nr. 5502/69 vom 31. Januar 1969 in Anspruch genommen.

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Vorrichtungen sowie elektrische Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf die Isolierung von elektrischen Leitern und insbesondere auf die Isolation und die mechanische Halterung von elektrischen Leitern.

Nach der Erfindung ist ein Vorfahren zur Herstellung einer elektrischen Vorrichtung mit folgenden Schritten vorgesehen!

a) ein oder mehrere elektrische Leiter werden in einer Gußform in der gewünschten Lage im Hinblick auf elektrischen Stromfluß beim fertigen Apparat gehalten;

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b) in die Gießform wird Beton eingefüllt, so daß der oder die elektrischen leiter in Beton eingebettet werden_twobei Verstärkungseinrichtungen vorgesehen und so angeordnet sind, daß 3ie eine dauernde Druckspannung auf den Beton ausüben. .'

Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß die auf den Beton einwirtcende Spannung derart ist, die Wirkung des Unterschiedes bzw. Differentials dea Temperaturkoeffizienten der Wärmedehnung zwischen dem Beton und dem oder den elektrischen Lei- w tern möglichst klein zu halten.

Zu diesem Zweck werden die VerstäricunöSeinrichtun_fcen vorzugsweise so angeordnet, daß sie den Beton unter Volumendruck halten. Die Verstärkungseinrichtung kann ein Gefäß umfassen, welches den Teil der elektrischen Leiter umschließt, welcher vom Beton gestützt und isoliert werden spdi, "wobei der Beton beispielsweise durch Pumpen in dasJSerfäii eln_eebracht und unter Druck gehalten wird, und zwar so lange, bis er abgebunden hat. In diesem Fall wird die Gießform vorzugsweise von den Verstärkungseinrichtungen gebildet oder umfaßt.

k Alternativ können die Verstärkungseinrichtungen Ver^tärkunge-; glieder umfassen, welche durch die Gießform hindurchreichen und ·■"" so angeordnet sind, daß sie gespannt werden können, um den Beton-Gunter Druckspannung zu halten, wenn dieser abgebunden hat. Wenn ^ keine Volumendruckspannung erzeugt wird, ist es wünschenswert," daß die Druckspannung möglichst parallel zur Länge des oder der elektrischen Leiter ist.

Die Erfindung umfaßt eine elektrische Vorrichtung als Erzeugnis des obigen Verfahrens.

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BAD ORIÖINAL

Die Erfindung ist insbesondere auf Einrichtungen anwendbar, welche Kernstrahlungen ausgesetzt.»sind, wodie Verwendung von organischen Materialien in der Isolation der elektrischen Leiter nicht wünschenswert ist wegen deren- 'Fehlerempfindlichkeit aufgrund von Strahlungsschädigungeh'.· .. ,.· ·

Die Erfindung umfaßt eine Einrichtung, welche nuklearen Strahlen ausgesetzt.ist,-wobei die elektrischen leiter durch einen Überzug aus anorganischem, ..zementösem Material isoliert ^: sind. Die elektrischen leiter können in einen mit Zuschlagstoffen versehenen Beton eingekapselt sein.

Die Erfindung sieht auch eine Kernstrahlungen ausgesetzte elektrische Einrichtung vor, worin die elektrischen leiter in Beton eingebettet sind, welcher eine -mechanische Stütze für die leiter und die elektrische Isolation schafft, vorzugsweise die einzige elektrische.Isolation zwischen benachbarten Leitern darstellt und so-vorgespannt ist, daß die Wirkung der Differenz bzw, des Differentials der Temperaturausdehnungskoeffiziehten zwischen Beton und den .elektrischen Leitern möglichst gering ist.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten in einem elektrischen Beschleuniger für geladene Partikel vor, nach .welchem Verfahren ein Strahlrohr, Magnetkernbleche und elektrische Spule.hwiridungen von unisolier- ■ ten ,elektrischen Leitern in einer Gießform in der erforderlichen relativen Lage zueinander gehalten und diese Koinponenenten in Beton eingebettet werden, wobei Vertitärkungseinrichtungen vorgesehen und so angeordnet sind, daß eine dauernde Druckspannung auf den Beton aufgebracht wird, umidie Wirkung des Unterschieds des Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen dem Beton und den elektrischen Leitern möglichst, gering au machen*

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An Kernstrahlung angepaßte Ausführung.sf ormen der Vor-■ richtung nach der Erfindung und Verfahren zur Herstellung nach der Erfindung werden nunmehr beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, und zwar zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Einrichtung ι

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Pig. 1, wobei einige Teile weggelassen worden sindj

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Einrichtung nach Fig. Ί und 2, und fe Fig. 4 einen Querschnitt einer anderen Einrichtung»

In dem Beispiel nach den Fign. 1 bis 3 ist die Vorrichtung eine elektrische Maschine zur Beschleunigung aufgeladener Partikel, und die Zeichnung stellt die Konstruktion eines großen Elektromagneten dar, der ein rostfreies Strahlrohr 11 umgibt.

Der Elektromagnet umfaßt ein Joch aus in zwei Hälften 12 und 13 aufgeteilten Blechpaketen und Spulenwindungen 14 aus Kupfer, welche zentrale Durchlässe 14a zum Durchtritt von Kühlfüssigkeit aufweisen.

Das Strahlrohr 11 erstreckt sich zentral durch das Joch f 12, 13. Die Kupferwindungen 14 erstrecken sich durch rechteck— förmige Durchtritte 15, 16 im'Joch auf jeder Seite des Strahlrohres 11. Die Windungen 14 sind aus zwei Hälften gebildet. Jn der einen Hälfte erstrecken sich die Windungen 14 durch den Durchtritt 15 parallel zum Strahlrohr 11, werden oberhalb des Strahlrohres 11 an dessen anderes Ende geführt, erstrecken sich durch den Durchtritt 16 parallel zum Strahlrohr 11, werden oberhalb des Strahlrohres 11 rückgeführt und erstrecken sich erneut durch den Durchtritt 15,usw. In der anderen Hälfte folgen die Windungen 14 einem ähnlichen Weg, aber werden unterhalb

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dös Strahlrohres 11 an jedem Ende der Durchtritte 15 und 16 geführt.

Zur Herstellung des Elektromagneten wird ein Spulenkern verwendet, in welchem das Strahlrohr 11 durch zentrale Öffnungen von im Abstand voneinander gehaltenen Stahlplatten 17_t 18 hindurchreicht. Verstärkungsstangen oder -streben 19, 21 weisen mit Gewinde versehene Enden auf und reichen mit diesen durch Bohrungen in den Platten 17 und 18 hindurch. Die Anzahl der Verstärkungsstreben hängt von der Größe des Magneten ab. Zum Beispiel werden in einem großen Magneten mindestens acht Verstärkungsstreben angewendet, die in gleichem Winkelabstand w. das Strahlrohr 11 herum angeordnet sind.

Die Windungen H werden im dargestellten Beispiel mit gesinterten Aluminiumoxyd- oder Tonerdestreifen 20 (Flg. 3) voneinander getrennt und in der richtigen Lage gehalten. Die Windungen H und das Strahlrohr 11 werden in ihrer richtigen Lage in dem Joch 12, 13 zusammengebaut. Die Aluminiumoxydstreifen dienen aur Halterung der Windungen H, die im Abstand voneinan der, Tom Joch 12, 13und τοα Strahlrohr 11 liegen.

An die Ter*t*rkungeitrebtn 19, 21 wird von einem iuSeren, nicht geneigten. Aufbau »eeiutiiiioh· Spannung angelegt. Die garne linrichtune wird dann i» Sinne der Bildung einer GieSfora ver schalt, wobei die StahXplatten 17, 18 die beiden Seitenwandungen bilden»

In die Gießform wird in Etappen Beton eingefüllt und verdichtet, um die Zwischenräume der zwischen den Windungen, dem Strahlrohr und dem Kernaur'bau 12, 13 auszufüllen..Dieoe Verdichtung wird beispielsweise durch Vibration, und/oder durch Aüsaugen der Luft aus aer Gießform erreicht. Alternativ kann

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der Beton durch Pumpen und Anwendung von Drucic eingeführt werden, und zwar kann der Drucic entweder direkt von der Pumpe herstammen oder hydraulisch erzeugt werden.

Zum Auffüllen kann es vorteilhaft sein, die obere hälfte 12 des Kernaufbaus eret dann zu montieren, nachdem etwas Beton in die Gießform eingefüllt worden ist.

Wenn es erwünscht ist, die Haftung zwischen dem Beton und den Kupferwindungen 14 zu vergrößern, werden nie Windungen 14 vor ihrer Einkapselung mit Sandstrahlen aufgerauht. Sine weitere Verbesserung der Haftung Kann durch Beschichten des Kupfers mit Aluminiumoxyd oder an-lere geeignete keramische Materialien bewerkstelligt werden, die beispieleweise durch Flammspritzen aufgebracht werden.

Wenn dtr Beton abgebunden hat, wird auf ihn Druck mittels der VtretHrkungsetreben 19, 21 aufgebracht, indem die Muttern 22, 23, 24 und 25 an den Schraubenden der Streben 19 und 21 angesogen werden und die äuSerlich angewendet« Spannung weggenoeetn wird. Die Spannung der Streben 19 und 21 ereeugt dann Druoic auf den !«ton Ufcer die Stahlplatten 17 und 18. Der Druck wir* co eingestellt, dsj 41· Auewirkungen der untereohiedlichen AusdehÄungen baw. d·· Differentiale der WärmeeuedehnungBkoeffisitnttn ToöBeton und Kupfer möglichst gering gehalten werden.

Ia Beispiel nach Fig. 4 ist die Anordnung der Blechpakete

31, 32, welche das Joch bilden, des Strahlrohres 33 un-j eier Windungen 34 ziemlich ähnlich dem Beispiel naer. den xigi*. 1-3.

Im Beispiel nach Fig. 4 wird .jeräüch die üinrichtung mittels Ansätzen ?5 in der Kitte eij.es ötahlrohres 36 gehalten. IrLe rinden des Hohrea 3d werden vsrschlosBen, und B^zor, ;/J v»ira in

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das so gebildete Gehäuse gepumpt. Es wird entweder durch die Pumpe ocier, getrennt * hiervon, beispielsweise hydraulisch, Druck angewendet, und der Druck wird solange aufrechterhalten, bis der Beton abgebunden hat.

Es sei darauf hingewiesen, daß durch die Anwendung des "Flüssigkeits"-Druckes eine elastische Dehnung des Rohres 36 erzielt wird, so daß das Rohr 36 auch nach Wegnahme des "i⁾lüssigkeits"-Druckes nach Abbindung des Betons auf diesen einen Druck ausübt.

In Pig. 4 wird das Rohr 36 als aus zwei Halbrohren 38, 39 bestehend dargestellt, die Mittels Flanschen 41» 42 und Schraubbolzen zusammengehalten werden. Unter gewissen Umständen kann es jedoch vorteilhaft oein, ein einstückiges Rohr zu verwenden, wobei die Einrichtungen des Joches, des Strahlrohres und der Windungen von einem Ende des Rohres in ihre Lage gebracht werden.

Ein typisches Beispiel von Beton zur Verwendung im beschriebenen Herstellungsverfahren hat folgende Zusammensetzung:

400 Gewichtsteile Zuschlagstoff
100 Gewichtsteile KaIziumaluminatzement 40 Teile Yfasser

Der Zuseifegstoff umfaßte Aluminiumoxydteile "ter₀ Tonerdebestandteile , von welchen 33 1/3 f° eine Teilchengröße von 25 bis 52 Mesh (599 Ms 295 Mikron) hatten, und 66 2/3 f« waren in dem Größenbereich von H bis 25 Mesh (1204 bis 599 Mikron).

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In jedem Beispiel wurde der Beton nach dem Abbinden bei 150⁰C wärinebehandelt, um die erfox-derlichen elektrischen Isolationseigenschaften zu erzielen.

Um die Isoliereigenschaften zu verbessern, ohne die Isolierung bezüglich Strahlungsschäden empfindlich' zu machen, kann der Aluminiumoxydzement mit Glasfasern, Kieselfasern oder andere anorganische fasrige oder laminare Materialien, wie Asbest oder Glimmer, versetzt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß in den Einrichtungen nach den beschriebenen Beispielen extrem hohe Genauigkeit der relativen Lage der Komponenten erforderlich ist und unter den Betriebsbedingungen aufrech.erhalten werden muß, welche Temperaturpendelungen und eine intensive Kernstrahlung umfassen.

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, daß Eeton, welcher gegenüber Schädigungen durch Kernstrahlung resistent ist, geeignet sein kann, die erforderliche elektrische Isolation zu bieten und die richtige räumliche lage der Komponenten aufrechtzuerhalten, vorausgesetzt, die differentielle Expansion und Kontraktion des Betons relativ zu den elektrischen Leitern wird klein gehalten. Dies wird dadurch erzielt, daß der Beton unter dauerndem Druck gehalten wird.

Die durch den Eeton vorgesehene Isolierung ist gegen ionisierende Staäil-un^ stabil, ist billig und widersteht hohen •Temperaturen. Die Vorrichtung nach dem vorherigen Beispiel kann daher bei Hochvakuumeinrichtungen angewendet werden. Weiterhin ist die Verwendung von Aluminiumoxydzement vorteilhaft für die Isolation und die mechanische Halterung von elektrischen Vorrichtungen auch beim Gebrauch von niedrigen Temperaturen, speziell Spulen bei 4,2⁰K, weil die Wärmeleitfähigkeit von Beton .'wesentlich höher ist als die von konventionellen organi— sehen Isolierstoffen.

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Die Erfindung ist nicht·auf Einzelheiten des vorhergehenden Beispiels beschränkt. Das beschriebene Herstellungsverfahren ist speziell für die Magnetkonstruktion großer Beschleuniger brauchbar, ist jedoch auch bei der Konstruktion anderer Einrichtungen oder Vorrichtungen gleicherweise brauchbar, insbesondere in solchen, die Kernstrahlung ausgesetzt sind, beispielsweise in thermonuklearen Reaktoren.

Während die Verwendung von Aluminiumoxydzement bevorzugt wird, kann auch Portlandzement oder anderer geeigneter Zement verwendet werden, falls erwünscht.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erf in dung site rkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

P»t·ηtan»prüohe

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Claims

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Patentansprüche

Π Λ Verfahren zur Herstellung von elektrischen Vorrichtungen, gekennzeichnet durch folgende Schrittes

a) ein oder mehrere elektrische Leiter werden in einer Grußform in der gewünschten Lage im Hinblick auf elektrischen Stromfluß "beim fertigen Apparat gehalten;

b) in die Gießform wird Beton eingefüllt, so daß der oder die elektrischen Leiter in Beton eingebettet werden, wobei Verstärkungseinrichtungen vorgesehen und so angeordnet sind, daß sie eine dauernde Druckspannung auf den Beton ausüben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS die Druckspannung auf den Beton derart ist, daß die Aus wirkung der unterschiedlichen l'eeperaturausdehnungen bzw. de* Differential» der Teaperaturkoeffieienten des Betons und de» oder der elektrischen Leiter möglichst kitin ist.

3. Yerfafcren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennseicknet, dal die Yerstarkungeeiariohtung so angeordiiei; igt, daß der Beton unter Volumendruck gehalten wird»

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dai die Verdtärkungseinricntung ein G-ex'äß umfaßt, welches den xeil äes eleKtrischen Leiters oder aer Leiter umscrilieiBt, welche vom Beton mechanisch gestützt und elektrisch isoliert weraen s_ll, v,^robei der Beton in das Gefäß eingefüllt' und unter Druci: gehalten wird, bis der Beton abgebunden hat.

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!?. Verfahren nach, einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung Verstärkungsglieder umfaßt, welche durch, die Gießform hindurchreichen und so angeordnet sind, daß sie gespannt werden können, um auf den abgebundenen Zement eine Druckspannung aufzubringen.

b. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß. die von den -VerBtärkungsgliedern erzeugte DrucKSpannung parallel zur Länge des oder der elektriscnen Leiter ist.

7· Elektrische Einrichtung, hergestellt nach dem Verfahren einer der vorhergehenden Ansprüche.

8. Elektrische Vorrichtung, dadurcn gekennzeichnet, daß ein oder mehrere elektrische Leiter in der gewünschten räumlichen Anordnung im Hinblick auf die Führung des elektriscnen Stromes im fertigen Apparat mittels Beton isoliert und mecuanisch gestützt werden, in welcnem der oder die Leiter eingebettet sind, und daß der Beton mittels Verstärkungseinrichtungen unter dauernder Druckspannung gehalten wird.

9. üiiiiriohtung, welcne Kernstrahlung unterworfen ist, dadurch ^eicennzeichnet, daß die elektrischen Leitungen durch einen überzug aus anorganischem, zementösem Material isoliert sind.

10. Einrichtung nach Anspruch y_s dadurch geiconnzeieiinet, daß die elektriscnen Leiter in einem mit Zuschlagstoffen versehenen Beton eingekapselt sind,,

1 I ο Elektrische Einrichtung_p welche Kernstrahlung ausgesetzt ist j dadurch gekennzeichnet,, daß elektrische Leiter in Beton eingebettet sinCi₅ welcher eine mechanische Stütze für die Leiter und die elektrische Isolation zwischen benachbarten Leitern darstellt, und welcher einer solchen Spannung ausgesetzt wird ρ daß die Auswirkung der- unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Beton und den elektrischen Lettern möglichst gering ist»

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12. Elektrische Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß.der Beton allein die elektrische Isolierung darstellt. .

13. Verfahren zur Herstellung eines Elektromagneten in einer elektrischen Maschine zur Beschleunigung geladener Partikel, gekennzeichnet durch folgende SchritteJ

a) ein Stahlrohr, Magnetkernbleche und elektrische Spulenwindungen von unisolierten elektrischen Leitern werden in einer Gießform in der erforderlichen relativen Lage zueinander gehalten;

b) diese Komponenten werden in Beton eingebettet, wobei Verstärkungseinrichtungen vorgesehen und so angeordnet sind, daß der Beton unter dauernder Druckspannung gehalten wird, welche die Auswirkung der unterschiedlichen Temperaturauedehnungekoeffisienten εwieent» d«m Btton und den elektrischen Leitern klein hält oder gams auffcebt.

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